基于BIM的路网级桥隧养护决策及智慧巡检系统的制作方法

基于bim的路网级桥隧养护决策及智慧巡检系统
技术领域
1.本发明涉及桥隧检测、桥隧养护辅助决策，及桥隧状况评定技术领域，特别是涉及一种基于bim的路网级桥隧养护决策及智慧巡检系统。


背景技术：

2.近些年，我国交通基建项目呈跨越式增长，尤其是桥梁和隧道数量更是与日俱增。随着桥隧的使用年限增加，越来越多的养护问题暴露出来。传统的桥隧养护都是通过人工现场记录方式，加之养护人员的经验和水准参差不齐，导致最终反应出来的桥隧状况不甚理想。规范统一的信息记录、多维度的桥隧养护处理方案、桥隧未来技术状况预测成为业界亟需解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种基于bim的路网级桥隧养护决策及智慧巡检系统，能够解决规范统一的信息记录、多维度的桥隧养护处理方案、桥隧未来技术状况预测的技术问题。
4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于bim的路网级桥隧养护决策及智慧巡检系统，包括：智能终端，用于对感知层数据进行修改及确认，经互联网上传至云端的bim 路网级桥隧养护决策系统；bim 路网级桥隧养护决策系统，用于对桥梁巡检数据进行分析，并通过bim模型进行呈现。
5.在一些实施方式中，bim 路网级桥隧养护决策系统内置有：桥梁数据管理模块、桥梁巡检模块、隧道数据管理模块、隧道巡检模块、养护工程模块、养护对策模块、退化分析模块、桥隧技术状况评定模块、bim可视化模块。
6.在一些实施方式中，桥梁数据管理模块包括：桥梁信息、桥梁构件信息、桥梁评定记录、桥梁修建工程记录、超重车过桥信息、事故信息。
7.在一些实施方式中，桥梁巡检模块包括：巡检任务、日常巡查、经常检查、定期检查、特殊检查。
8.在一些实施方式中，隧道数据管理模块包括：隧道信息、结构信息、事故信息。
9.在一些实施方式中，隧道巡检模块包括：日常巡查、经常检查、定期检查、应急检查。
10.在一些实施方式中，养护工程模块包括：病害库管理、日常养护工程、预防养护工程、修复养护工程、专项养护工程、应急养护工程；病害库管理用于归档记录桥隧病害信息内容，实现病害信息分类管理；日常养护工程用于记录的桥隧维护保养和修补轻微缺损的工作数据；预防养护工程用于记录桥隧有轻微病害但整体性能良好，为延缓其性能衰减、延长使用寿命而采取的防护工程数据；修复养护工程用于记录为恢复桥隧技术状况而实施的功能性、结构性修复或更换的工程措施数据；专项养护工程用于记录为恢复、完善或提升桥隧使用功能而集中实施的增设、加固、改造、拆除重建的工程数据；应急养护工程用于记录
发生突发情况时，实施的应急抢修、保通的工程信息。
11.在一些实施方式中，养护对策模块包括：桥梁维修对策标准、隧道病害维修标准；桥梁养护对策库根据桥梁类型、部件类型和缺损类型建立对应维护信息，包含维修材料、工艺工法、参考标准、维修案例和维修历史；隧道养护对策库与桥梁养护对策库功能相同，通过缺损类型与养护对策匹配进行养护工程辅助决策。
12.在一些实施方式中，退化分析模块包括：灰色系统理论、马尔克夫退化分析。
13.在一些实施方式中，桥隧技术状况评定模块包括：桥梁技术状况评定、隧道土建结构技术状况评定。
14.采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
15.本发明的创新点在于，对桥隧管养形成“巡查—统计—分析—决策—维修—跟踪”全方位一体化的规范管理，巡检终端app使用本地数据库实现离线巡检信息记录功能，解决了在网络情况不理想情况下的信息化数据记录。app可通过无线通讯方式调用感知层数据，解决了在复杂工况下的数据采集。巡检数据可在在线网络环境下实时同步数据或上传本地离线数据至云端，解决了广域远程协同办公的问题。构建桥隧病害维修对策标准库并根据缺损类型自动匹配维修对策，为桥隧构筑物的维修维护提供参照依据。通过算法可对桥隧大数据进行分析并预测桥隧退化情况，为了解桥隧退化情况提供数据支撑。结合bim建模技术，将桥隧数据与bim模型相结合，不但可对养护期数据进行查阅同时支持建设期信息的浏览，实现了桥隧bim全生命周期管理，形成了基于bim的路网级桥隧养护决策及智慧巡检系统。
附图说明
16.上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
17.图1是本发明整体架构图；
18.图2是本发明结构示意图；
19.图3是本发明业务流程示意图；
20.图4是本发明巡检业务流程图；
21.图5是本发明养护工程业务流程图。
具体实施方式
22.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
23.本发明涉及一种桥隧智能数据采集、桥隧养护决策、桥梁退化分析、bim模型应用，涉及到桥隧养护领域，通过无线传输技术桥梁智能巡检终端可接入感知层数据信息，经互联网上传至云端，桥隧智能养护管理系统对智能巡检终端采集的数据进行统计分析，最终可对单座桥梁或路网级桥梁退化分析预测，对桥隧典型病害的维修养护自动匹配维修对策并通过bim模型进行桥隧数据的可视化展示。
24.本发明中公开了一种bim路网级桥隧养护决策及智慧巡检系统，包括智能巡检终端、智能养护决策分析系统。前端数据采集主要应用传感器技术及无线传输技术，实现复杂
环境下桥梁巡检数据采集，通过无线传输技术将数据传输至智能终端。智能终端可对采集数据进行修改和确认，经互联网上传至云端数据库，由智能养护管理系统对数据做分析处理，最终通过bim模型呈现。
25.本发明解决了现场巡检过程中对复杂环境数据的采集，但由于数据采集设备接口类型多样，很难做到统一标准，因此还有改进的空间。同时对于系统中的退化分析模块需要大量基础数据为依托，数据的可靠性和规范性是本发明中需要处理的重点问题。对于bim模型因不同桥隧类型的结构特点，在实际建模的过程中需要考虑模型体量及系统加载问题，解决模型加载提升用户体验也是本发明所要解决的技术问题。
26.实施例1：
27.如图1所示，系统顶层设计参考物联网整体架构进行设计，分为感知层、网络传输层及应用层。
28.其中，感知层主要通过前端各硬件传感器、信息化终端等设备对数据进行采集。
29.网络传输层需保障数据的可靠性及安全性等特点，根据相应的传输方式对数据进行传输，本发明主要依靠第五代移动通信网络为前后端传输介质。
30.应用层对前端采集数据进行数据整合并提供相应的服务。
31.所述感知层作为物联网的核心，是信息采集的关键部分，包括二维码标签和识读器、rfid标签和读写器、摄像头、gps、传感器、m2m终端、传感器网关等。
32.所述网络传输层包含接入网和传输网，分别实现接入功能和传输功能，本发明中主要涉及到传输协议、数据分类校验、冗余校验、文本及图片数据、音视频数据等。
33.所述应用层为物联网最上层，主要功能为信息处理，应用层可以对感知层采集数据进行计算、处理和知识挖掘，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策。
34.实施例2：
35.如图2所示，系统是一种基于bim的路网级桥隧养护决策及智慧巡检系统可以细化到以下各部分：
36.桥梁数据管理：
37.桥梁数据管理模块，所有桥梁相关基础数据管理模块。桥梁数据类型分为静态数据和动态数据两种，静态数据指桥梁固有结构信息，动态数据指运营期的巡检数据和事件记录。创建桥梁生成对应桥梁唯一id，导入桥梁构件信息并与bim模型编码相关联，实现建养数据可视化查阅。按照现行规范分类各桥梁类型和缺损信息，实现病害数据规范录入。
38.桥梁数据信息可分为：桥梁基本信息、构件信息、模型信息、事件信息。
39.1.1桥梁基本信息指桥梁基本信息卡片信息，如桥梁名称、桥梁编码和桥梁类型等。
40.1.2构件信息根据桥梁类型分为梁式桥、斜拉桥、悬索桥、拱桥等，根据结构形式分为桥面系、上部结构、下部结构，部件构件根据特定桥梁类型进行划分。
41.1.3模型信息根据桥梁构件信息和所需细度分别创建精细度为lod300、lod400的模型，包含构件属性信息及关联编码。
42.1.4事件信息通常指运营期内对桥梁的定检评定信息、养护工程信息和事故信息等。
43.桥梁巡检：
44.桥梁巡检模块是系统最核心的基础数据，根据《公路桥涵养护规范》(jtg 5120-2021)将桥梁检查分为初始检查、日常巡查、经常检查、定期检查和特殊检查。该模块涉及业务流程审批如图4所示，养护工程师按照规范中建议下发巡检任务，经由领导决策巡检任务是否执行，待通过审批后现场巡检员/结构检查员/外协人员进行任务接收并记录巡检内容，提交巡检数据至养护工程师处初审，最终结果由领导决策层进行最终审批。
45.2.1初始检查主要是对新建或改建桥梁进行检查，系统设计时需根据桥梁实际情况设立永久观测点信息，并且保障后期巡检数据可以与之关联，初始检查内容主要集中在桥梁属性信息如桥长、构件尺寸、材质与强度、结构力学参数等信息。
46.2.2日常巡查对养护检查等级为ⅰ、ⅱ级的桥梁，日常巡查每天不应少于1次；养护检查等级为ⅲ级的桥梁，日常巡查每周不应少于1次，特殊情况可增加检查频次。系统可自动根据桥梁养护检查等级自动分配巡查任务，特殊情况下可手动设置巡查任务。
47.由于日常巡查主要为表观目测方式，因此检查项配置时主要以桥面系和上部结构为主。
48.2.3经常检查养护检查等级为ⅰ级的桥梁，经常检查每月不应少于1次，养护检查等级为ⅱ级的桥梁，经常检查每两个月不应少于1次，养护检查等级为ⅲ级的桥梁，经常检查每季度不应少于1次。系统可根据桥梁养护等级自动在每月初设置检查任务。
49.经常检查内容包含桥梁主要部件如梁裂缝、支座缺陷、铺装层病害、伸缩缝缺损等内容，因此在配置检查内容时根据不同桥梁类型对检查部件进行配置。
50.2.4定期检查为养护检查等级为ⅰ级的桥梁，定期检查周期不得超过1年；养护检查等级为：
[0051]ⅱ、ⅲ级的桥梁，定期检查周期不得超过3年。系统可自动或手动发布检查任务，并跟踪检查状态；
[0052]
检查内容为全桥所有结构桥面系、上部结构、下部结构全面检查，配置检查项目可增加永久观测点相关信息。
[0053]
2.5特殊检查主要针对定期检查中难以判明的病害和遭受灾害后桥梁结构检查，系统记录内容为桥梁的基本情况、检测的组织、时间、背景、目的和工作过程、现场调查、检测与试验项目及方法的说明。
[0054]
隧道数据管理：
[0055]
该模块功能与桥梁数据管理模块设计思路相似，在此不做赘述。
[0056]
隧道巡检：
[0057]
该模块功能与桥梁巡检模块设计思路相似，在此不做赘述。
[0058]
养护工程：
[0059]
养护工程主要是病害信息汇总及维修处理，实现病害从查到养的过程。包含病害库管理、日常养护工程、预防养护工程、修复养护工程、专项养护工程、应急养护工程。其中包含养护工程维修流程如图5所示，现场施工人员在接到养护任务单后进行现场情况反馈，上报施工过程文件，经现场施工负责人审批，审批通过后将交竣工相关资料上传，最终由养护负责人审批，通过后自动归档病害维修流程闭合，病害状态更新为已维修，养护工程状态更新为竣工。
[0060]
5.1病害库管理用于归档记录桥隧病害信息内容，实现病害信息分类管理。
[0061]
5.2日常养护工程用于记录的桥隧维护保养和修补轻微缺损的工作数据。
[0062]
5.3预防养护工程用于记录桥隧有轻微病害但整体性能良好，为延缓其性能衰减、延长使用寿命而采取的防护工程数据。
[0063]
5.4修复养护工程用于记录为恢复桥隧技术状况而实施的功能性、结构性修复或更换的工程措施数据。
[0064]
5.5专项养护工程用于记录为恢复、完善或提升桥隧使用功能而集中实施的增设、加固、改造、拆除重建等工程数据。
[0065]
5.6应急养护工程用于记录发生突发情况时，实施的应急抢修、保通等工程信息。
[0066]
养护对策模块：
[0067]
养护对策分别设立桥梁养护对策库和隧道养护对策库。
[0068]
6.1桥梁养护对策库根据桥梁类型、部件类型和缺损类型建立对应维护信息，包含维修材料、工艺工法、参考标准、维修案例和维修历史。
[0069]
6.2隧道养护对策库与桥梁养护对策库功能相同，通过缺损类型与养护对策匹配进行养护工程辅助决策。
[0070]
退化分析模块：
[0071]
根据桥隧历年定期检查数据实现构筑物退化分析预测，系统包含两种算法：灰色系统理论、马尔克夫预测模型。
[0072]
7.1灰色系统理论
[0073]
灰色系统理论可以对数量较少、信息缺乏的序列预测；
[0074]
灰色gm(1，1)模型形式为：针对非负原始序列x
(0)
＝(x
(0)
(1)，x
(0)
(2)，
…
，x
(0)
(n))，灰色gm(1，1)预测值的表达式如下：
[0075][0076]
确定转移矩阵及逆矩阵，选择具体桥梁根据该桥梁历年技术状况值，指定的预测年份计算相应年份的技术状况值。计算流程为：输入原始数据、灰色模型建模、残差模型建模、关联空间分析、输出预测值。
[0077]
7.2马尔克夫预测模型
[0078]
依据《公路桥梁技术状况评定标准》(jtgt h21-2011)中对桥梁技术状况评定等级1-5类，设状态空间i＝{1，2，3，4，5}，分别对应的桥梁数目为{n1，n2，n3，n4，n5}，则状态分布向量为：
[0079][0080]
确定状态转移时间周期及初始状态向量；根据频率转换法：
[0081]
计算状态转移概率矩阵；
[0082]
最终预测桥梁技术状况在初始时刻后第k个时间周期的状态值，可利用如下公式：
[0083]
s(k)＝[p1(k),p2(k),p3(k),p4(k),p5(k)]＝s(0)pk[0084]
式中：s(k)表示初始时刻后第k个时间周期的桥梁技术状况状态分布向量；pi(k)为桥梁技术状况在第k个时间周期时状态值为i的概率；p桥梁技术状况状态转移概率矩阵。
[0085]
桥隧技术状况评定：
[0086]
桥隧技术状况评定模块包含桥梁技术状况评定、隧道土建结构技术状况评定。
[0087]
8.1桥梁技术状况评定
[0088]
实现基于《公路桥梁技术状况评定标准》(jtg/t h21-2011)中的评定方法对桥梁土建结构整体技术状况进行评定功能。
[0089]
8.2隧道技术状况评定
[0090]
实现基于《公路隧道养护技术规范》(jtg h12-2015)中的评定方法对隧道土建结构技术状况进行评定功能。
[0091]
bim可视化模块：
[0092]
采用轻量化bim模型平台，结合统一规范建模标准为各桥隧构件进行建模，bim可视化模块包含桥隧信息、巡检信息、健康监测信息、病害分布、筛查统计；桥隧信息用于展示桥隧构件模型及相关联的建养一体化数据，如属性信息、质检记录、图纸信息、病害信息等。
[0093]
9.1巡检信息用于展示日常巡查、经常检查、定期检查数据信息，其中日常巡查、经常检查可展示巡检路线。
[0094]
9.2健康监测信息用于展示第三方健康监测系统接口数据信息，如温湿度、风力风向、应变信息等结构监测数据。
[0095]
9.3病害分布用于展示病害在bim模型中的分布情况，实现重点监测区域病害直观展示功能。
[0096]
筛查统计用于对病害信息多维度查询，为桥隧整体技术状况提供数据支撑。
[0097]
智慧巡检终端app：
[0098]
智慧巡检终端app采用mongodb作为本地数据库，通过程序实现在线/离线数据传输，通过无线通信技术实现第三方工具数据采集。具体传输流程如图3所示，智慧巡检终端app可通过自身记录数据或通过接口调取第三方传感设备数据，通过网络传输至云端，在服务器端进行数据分析处理，最终展现在bim可视化平台中。其功能包含：桥隧信息、通知公告、日常巡查、经常检查、定期检查、数据采集、维修维护。
[0099]
10.1桥隧信息用于查阅桥隧基本信息如桥隧基本信息卡片、桥隧构件信息及相关附件信息。
[0100]
10.2通知公告用于展示交通相关通告信息，本地端可发送事故信息至全网通告。
[0101]
10.3日常巡查用于现场记录日常巡查信息。
[0102]
10.4经常检查用于现场记录经常检查信息。
[0103]
10.5定期检查用于现场记录定期检查信息。
[0104]
10.6数据采集用于第三方硬件设备数据采集。
[0105]
10.7维修维护用于现场病害维修反馈。
[0106]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。